乔欣毕业设计4

1、1目 录摘要摘要.1 1第一章第一章 绪论绪论.3 3第一节 平煤四矿钢缆皮带运输系统简介 .3第二节 设计原则和标准 .4第二章第二章 驱动系统的功率计算驱动系统的功率计算.5 5第一节 主要计算参数 .5第二节 功率计算 .6一、阻力计算 .6二、张力计算 .6三、电动机功率计算 .7第三章第三章 设备选型设备选型.8 8第一节 电动机选型 .8一、电动机起动功率验算 .8二、电动机选型 .8第二节 变频器选型 .9一、变频器 .9二、变频调速的特点 .10三、调速方案的确定 .11四、变频系统组成 .12五、变频系统的功能 .13第三节 IGBT 结构及工作原理.13一、IGBT 的结构

2、.13二、IGBT 的工作原理.14第四节 液压系统 .17一、机房盘型闸液压系统 .17二、机尾钢丝绳液压张紧系统 .17第四章第四章 可编程控制器部分可编程控制器部分.1818第一节 可编程控制器的特点 .19第二节 可编程控制器的组成 .20第三节 可编程控制器的工作原理 .25第五章第五章 钢缆皮带的钢缆皮带的 PLCPLC 控制系统控制系统.2929第一节 钢缆皮带运行过程 .29第二节 方案确定 .29第三节 PLC 选型.33一、FX2N-48MR-001 PLC 的特点.33二、FX2N-48MR-001 PLC 的技术参数.34第四节 PLC 外部接线图及控制装置构成.35一

3、、PLC 外部接线图.352二、隔爆型控制箱 .36三、本安型操纵台 .36四、控制部分 .36第五节 控制系统保护功能 .38第六节 系统配置 .41第七节 变频器的谐波治理的方法 .41第六章第六章 软件设计软件设计.4343第七章第七章 PLCPLC 程序调试程序调试 .4747一、程序的模拟调试 .47二、程序的现场调试 .48第八章第八章 其他说明其他说明.4949第一节 变频器 .49一、使用变频器时的注意事项 .49二、变频器的维护与保养 .49三、必须定期更换的器件 .50四、变频器的储存与保管 .50第二节 PLC 使用与保养.51一、PLC 使用应注意的事项.51二、PLC

4、 的维护与保养.53结束语结束语.5454参考文献参考文献.5555附图一附图一.5757附图二附图二.58581摘要摘要：目前，国内仍有不少煤矿钢缆皮带的控制系统在使用传统的控制方式，这种控制方式存在耗电量大，维护困难，动态特性差、故障率高、维护困难等缺点。多数煤矿现在井下钢缆皮带使用的直流电机属非防爆设备，另外，由于采区变化，运输距离减短，传统控制系统运行模式很不经济，已经不能适应现代化生产的需要。所以急需对现用的电气部分控制方案进行改造。用PLC、防爆电机和变频器组成的系统进行控制，能够解决钢缆皮带传统控制系统中存在的问题和不足，提高煤矿设备的自动化水平。本设计主要研究一种基于三菱系列

5、PLC 的煤矿皮带运输机控制系统，包含绪论、设备选型、可编程控制器部分、钢缆皮带的 PLC 控制系统及系统的维护与保养部分的设计，可编程控制器部分详细阐述了 PLC 的性能，设备选型部分完成了系统工艺过程分析及具体硬件设计，钢缆皮带的 PLC 控制部分完成了控制系统的 I/O 点及地址分配、系统外围硬件连接图以及对梯形图的设计，部分通过了调试，该系统基本上实现了对皮带运输机系统的控制和各种保护，提高生产效率、减少现场操作人员、提高系统运行的安全性。关键词：关键词：PLC；控制系统；运行原理；电气制动2AbstractAbstract：At present, there are still ma

6、ny domestic coals belt of the cable control system in the use of the traditional control methods, such control methods have power consumption, maintenance difficulties, the poor dynamic characteristics , high failure rate and difficulties in maintaining shortcomings. Most coal mines which are underg

7、round cable belt use of the DC motor is a non-explosion-proof equipment, In addition, due to changes in mining area, reducing the transport distance, the traditional mode of operation control system is not economy. It is unable to meet the needs of modern production. So is an urgent need to use the

8、electrical control programme to transform. With PLC, explosion-proof motor and inverter system consisting of control can solve the traditional cable belt control system of the existing problems and shortcomings, improving coal mine level of automation equipment.The major research of this design base

9、d on Mitsubishi series PLC in a coal mine belt transport control system, including introduction, equipment selection, the PLC part of the cable belt PLC control system , system maintenance and maintenance part of the design, Programming controller elaborates on the part of the performance of PLC, eq

10、uipment selection of the complete process of the system and specific hardware design, the cable belt PLC controls the completion of the control system of I / O addresses and points distribution, system hardware peripherals Connection of the ladder, as well as the design, partly by the commissioning

11、of the system ,it basically realized its belt transport system control and protection, increased productivity and reduced operating officer at the scene, improved the safety of the system. 3KeyKey Words:Words:PLC;control system;movement priciple;the electricity applies the brake第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 平煤四

12、矿钢缆皮带运输系统简介平煤四矿钢缆皮带运输系统简介四矿钢缆皮带于 1979 年 7 月安装投入运行，担负着一水平采区的运煤、运人任务。原电控系统，主回路采用调压器和二极管整流给直流电动机供电，操作回路为继电器控制。当时，直流调速系统比交流调速具有更优良的调速性能，因而在大型的重要的设备中得到应用。但是，在多年的运行中，直流模拟控制系统也表现出动态特性差、故障率高、维护困难等缺点。而且，随着矿井的延深和瓦斯涌出量的增加，平煤四矿被定为“瓦斯突出矿井” ， 煤矿安全规程规定，瓦斯矿井不得使用非防爆设备。现在井下钢缆皮带使用的 2 台 400KW 直流电机属非防爆设备，另外，由于采区变化，运输距离由

13、 1400 米缩减到 780 米，原模式运行很不经济，所以急需对现用的电气部分控制方案进行改造。四矿钢缆皮带属于大型集中运输设备，而且有运人任务，对起动、调速要求较高，交流绕线式电机串电阻调速不能满足平稳的要求，而软启动设备没有低速运行功能，不能进行验绳等检修工作，而且从国家政策、先进性和长远利益来看，变频调速应为首选。随着电力电子器件、微电子技术及计算机技术的发展，交流电动机变频调速技术得到迅速发展，使得结构简单牢固、价格低廉、应用普及的异步电动机，有了性能良好的调速手段。目前，鼠笼异步电动机变频调速技术已较为成熟，性价比优越。国外变频器生产技术较为成熟的厂家有，德国的西门子、施耐德、日本的

14、三菱、安川、松下、芬兰 ABB 等公司，国内有深圳的华为、四川的森兰、南京的耐特。国家经贸委“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速已被列入重点组织实施的 10 项技术改造示范工程之一，目前在我国独资或合资生产变频器的企业已逐渐形成规模，以后一定会取得大跨步的发展。在电气控制方面，随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，出现了4可编程序控制器（简称 PLC） ，它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点，与继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，更适应于工业环境的通用控制，现在又增加了算术运算、过程控制、数据通信等功能，已可以完成大型而复杂的控制任务。在全球 P

15、LC 制造商中，西门子公司、AB 公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司的销售额约占全球总销售额的三分之二。国内 PLC 形成产品化的生产企业市场占有率不超过 10%,但在价格上占有明显的优势。所以，本设计方案定为变频调速、PLC 控制。采用 2 台 YBSS25012 电动机，ABB 公司变频器，三菱 PLC。改造后，系统运行将更加安全、节能、可靠。设计的基本步骤为：1、根据国家有关规定和驱动系统的功率计算，查手册、选择电动机。2、根据皮带运输的实际要求，结合变频控制方法分析，完成变频器的选型。3、按照控制要求，确定外部联锁信号、相关保护等，分析需用点数、容量、通信预留等，选用 PLC 的型

16、号、规格和技术参数。4、采用梯形图法完成软件设计。5、配置系统所需的装置和元件。6、用计算机绘制相关图纸。7、上机验证控制方案的可行性。第二节第二节 设计原则和标准设计原则和标准1、遵循“五高”方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高效益，突出效益优先。2、技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，作到能用、够用，好用。3、充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。4、系统符合煤矿安全规程 （2004 版）相关系统设计，安装的规定，实现控制系统所有设备防爆。5、系统的电磁兼容性符合国家标准。56、网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。7、紧密结合现场实际情况，减速机、

17、驱动轮、牵引钢丝绳、胶带、机身保持不变。第二章第二章 驱动系统的功率计算驱动系统的功率计算第一节第一节 主要计算参数主要计算参数驱动系统所需的主要计算参数归纳如下：1、运输长度：L=780m2、倾角：=9303、提升高度:H=115.96 m4、输送能力：Q=600t/h5、牵引钢丝绳:6W(26)-40.5-ZZ6、减速机型号:GLJ-170 传动比:i=35.57、驱动轮直径:D=3500 摩擦衬垫:铝基合金8、导向轮直径:D=28009、带速：V=2.0m/s V=1.8 m/s V=0.5 m/s物人验绳10、胶带宽度:B=1.0 m11、单位长度物料重量：q=Q/3.6V=600/3

18、.62=83.3/ m12、单位长度胶带重量：q =25.6/ mA13、单位长度钢丝绳重量：q=6.09/ mK14、钢丝绳运行阻力系数：=0.02（0.010.03） 15、钢丝绳允许挠度系数：C =0.025（0.010.03）016、牵引钢丝绳载荷分布不均匀系数：C =1.05317、上托轮转动部分重量：q=9.6/ m18、下托轮转动部分重量：q=4.8/ m19、钢丝绳经一个导向轮的阻力系数：K =1.020620、牵引钢丝绳数：n=2K21、下托轮间距：l=6 m第二节第二节 功率计算功率计算一、阻力计算一、阻力计算阻力计算包括有载段的阻力计算和空载段的阻力计算，其具体计算过程如

19、下：1、有载段阻力W=L(q+ q +2 q)(+)+ qAKcossin =780(83.3+25.6+26.09)(0.029.5+9.5)+9.60.02cossin=176002、空载段阻力W=L( q +2 q)()+ qAKcossin =780(25.6+26.09)(0.029.59.5)+4.80.02cossin=4207.5二、张力计算二、张力计算（一）张力分布张力分布图如图一所示：73S3S42S2S141图一 张力分布示意图（二）逐点张力计算从胶带两端至钢丝绳两端二段距离内，由钢丝绳重量所产生的阻力可忽略不计，驱动段最小张力为 S，S1、S2、S3、S4 视为钢丝绳各

20、点张力，F 为驱min动轮的牵引力，其计算过程如下：1、驱动段最小张力S=S2=1.225n（C q / n+ q）l10/CminK3AKK0 =1.2252(1.0525.6/2+6.09)610/0.025=114836.4N=11483.642、其它各点张力S1=S2W =11483（4207）=15690S3= K S20=1.0211483=11712.66S4=S3+ W =11712.66+17600=29312.6683、驱动轮牵引力F=S4S1 =29312.6615690=13622.66三、电动机功率计算三、电动机功率计算若设电动机的功率用 P表示，则电动机的功率为：P

21、=m FV/1021 =1.2513622.662/（1020.85）=392.81KW式中：F驱动轮的牵引力；V皮带运煤时的速度；m 电动机功率备用系数范围（1.151.25） ，取 m 为 1.25；11机械传动效率范围（0.850.95） ，取 为 0.85。第三章第三章 设备选型设备选型第一节第一节 电动机选型电动机选型 电动机的选择，要根据起动和运行过程中所需的最大功率以及煤炭安全规程来确定电动机的型号和生产厂家。一、电动机起动功率验算一、电动机起动功率验算（一）重载起动时增加的功率P=1/0.00028QLV/t+0.002 q LV/t+0.004qLV/t+0.002（q+q）

22、AKLV/t+0.001(G V)/t+G V/1000/t+n(GD)/366000/td1=1/0.850.000286007802/20+0.002 25.67802/20+0.0046.0997802/20+0.002（9.6+4.8）7802/20+0.001(46202)/20+24515.62/1000/20+495864/366000/20=75.45KW式中：t钢缆皮带机起动时间； G 除驱动轮和中间托绳轮以外的各种轮子转动部分重量的总和，d查机械制造零部件图，G =4620；d GD电动机转动惯量；G 驱动轮与减速机转动部分的变位重量。1（二）过负荷验算（P+P）/P（0.

23、750.85） （ 过载系数）N（392.81+75.45）/2250（0.750.85）2.50.93651.8752.125根据以上验算结果得知选用的电动机功率能满足要求。二、电动机选型二、电动机选型1、由于设备用于煤矿井下，所以必须选用防爆型电动机；2、井下低压供电皮带电压等级一般为:AC660V；3、由胶带运行速度范围 0.52 米/秒反算电动机转速，则电动机 n=96387转/分，另外考虑用户要求电动机选型应为今后皮带速度提到 2.5 米/秒留有余量，电动机的极数选 12 极；4、变频调速低速运行时电动机容易发热，因此选用水冷电动机；电动机选型结果如表一所示表一 电动机选型台数型号功

24、率频率（Hz）电压（V）电流（A）转速（转/分）生产厂家2YBSS25012250KW50Hz660V298.3A495南阳防爆电机集团10第二节第二节 变频器选型变频器选型一、变频器一、变频器通用变频器的基本结构和类型变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它就是一种改变电源频率和电压的设备，从结构上看，变频器分为 3 部分：1、操作面板：包括显示屏和键盘；2、主电路接线端：包括工频电网的输入端和接电动机的输出端；3、控制端子：包括外部信号控制变频调速器的端子、变频调速器工作状态指示端子、变频与微机或其他设备的通信接口。从结构上看，变频器分为交交变频器和交

25、直交变频两类。（1）交交变频器交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的 1/2 以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交直交变频器交直交变频器则是先把交流电经整流器整流成直流电，在经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。无论是交交变频器还是交直交变频器，从变频电源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频器。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流滤波是电感。、电压源型变频器在交直交变压变频装置中，当

26、中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。11、电流源型变频器当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质，它也是电流源型变频。二、二、变频调速的特点变频调速的特点（一）

27、变频调速可以实现软起动，降低机械冲击、降低起动电流对电网的影响、乘人时抑制加速度给人带来的不良反应。软启动方式是在电源和电机之间串入软启动器的一种电机启动方式，也可归入降压启动的范畴，但它不同于一般的降压启动，它采用的是逐步升压的方式，电流也是逐步增大的，其停止时电流和电压也是逐步减小的。软启动装置以微电脑作为其控制单元，利用软件，通过建立输入电动机、电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟，采用三对反并联晶闸管串接于电动机的三相供电线上。利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发导通角的大小来改变晶闸管的开通程度，以此来改变电动机启动时输入电压和输入电流的大小，达到控制电机的启动特性。

28、软启动控制器接收到启动指令后，便进行有关计算，确定晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管使软启动装置按所设定的方式输出相应的电压，以控制电机的启动过程。电机完成启动过程后，软启动控制器便控制交流接触器吸合，短路所有晶闸管，使电机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。实际应用中，软启动具有下列优点1、无冲击电流。软启动器在启动电机时，电机启动电流从零线性上升至设定值。它对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳启动，减少对负载的冲击转矩，能延长机器使用寿命，而且启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，可频繁启动。2、软停车功能。停止时平滑减速，逐渐停机，从而克服了瞬间断点停机的弊病，减轻对负载设备的机械冲击

29、，减少设备损坏。123、启动参数可调。根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地无级调整至最佳启动电流。软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行平稳性，延长电机及相关设备的使用寿命。因其电机启动时的电压和电流均可在一定范围内由用户进行调整，且可提供多种智能的启动曲线，有完善的电机保护功能，有显著的节能效果，因此，其用途相当广泛，目前在世界上正处于大力发展阶段。（二）能够实现运人、运煤及验绳检修多种速度。（三）四矿钢缆皮带属于集中运输巷，担负着丁九、戊九采区及联络巷分运皮带的煤炭运输任务，有长期运行要求，变频调速能够降低冲击、节约电能，设备初期投资大点，但从长远来看还是经济的。三、调

30、速方案的确定三、调速方案的确定（一）驱动系统类型为了与现场机械部分对接，采用一台变频器带一台电动机的单独拖动，整流与逆变一一对应组成变频器的常规方式。（二）制动方式钢缆皮带为上行皮带，上皮带运煤或下皮带运人时惯性很小，停车时采用回馈制动节能效果不明显，所以采用结构简单成本低廉的能耗制动。（三）运行控制模式1、三种运行控制模式（1）u/f 控制方式思路简单，附加要求少，控制容易实现，适合于多数二次方转矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性转矩负载应用。（2）矢量控制原理实际是对直流电机的模仿，通过矢量变换分离和合成励磁及转矩矢量，实现了磁链子系统和转速子系统的近似解耦，具备了控制转矩的手段。（3）

31、建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以软测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是13基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。矢量控制的稳态特性优于直接转矩控制，直接转矩控制的动态特性优于矢量控制，但两者的差别并不大，都是高性能的控制模式，其动态、稳态性能都能满足绝大多数的应用需求。根据市场各公司资料和价格，拟选用 ABB 公司提供的直接转矩控制方式产品。按照电动机额定电流 IevfK1Ied=1.1298.3=328.13A选 355kw 变频器。ZJT3355/1140(

32、660) 水冷式矿用本质安全型交流变频调速控制装置的技术参数如表二所示：表二 ZJT3355/1140(660)的技术参数名称参数名称参数额定交流电压1140V(660)控制型式转矩控制型 矢量控制型额定最大输出电流355A额定工作制不间断工作制输入电源频率50Hz过载能力150%额定电流 60S180%额定电流 10S输出频率范围050Hz在数字控制模式条件下的分辨率0.1Hz注：每次过载的间隔时间应大于 20min。四、变频系统组成四、变频系统组成主要由输入输出电抗器，变频器逆变部分（IGBT）,控制部分，显示部分和电源部分组成。1、输入输出电抗器用来有效的抑制变频器产生的谐波分量。2、变

33、频器逆变部分通常是指将交流供电电源整流后通过 IGBT 逆变模块调制成频率可调的一种电源输出，简称交直交变频器。3、控制部分指变频器的主控制模块，主要功能是接受或输出各种指令（起停，急停，手动选择，自动选择，故障复位，变频器就绪，变频器运行，变频器故障） ，速度编码器的信号采集等。4、显示部分指变频器自身的参数或各种状态在码盘上显示，同时码盘可作为本地控制盘使用。145、电源部分指提供变频器内部使用的不同等级的电源。有 AC 220V；DC 24V 等。五、变频系统的功能五、变频系统的功能1、系统可任意调整加、减速度。钢缆皮带输送机要求起动和停止平稳，为减少机械冲击，加、减速度要小于 0.2m

34、/s，同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。变频器的加减时间可在 19999 秒内任意调整。2、所选变频器具有保护和自诊断功能，完善的保护功能以保障电气设备的正常运行，此变频器具有过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护。能够保存最近 10 次的故障代码，还能保存相应的故障参数。第三节第三节 IGBTIGBT 结构及工作原理结构及工作原理IGBT 是变频器逆变部分，它的功能是：交流供电电源经整流后再通过 IGBT可调制成频率可调的一种交流电源输出。一、一、IGBTIGBT 的结构的结构IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是绝缘栅双

35、极型功率管，它是由BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT 在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏极）上增加了一个

36、 P+ 基板（ IGBT 的集电极） ，形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ，Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻。 IGBT 是以 GTR 为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构。由于 IGBT 是在 N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板，形成15了四层结构，由 PNP NPN 晶体管构成 IGBT 。但是， NPN 晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN 不起作用。所 以说， IGBT 的基本工作与 NPN 晶体管无关，可以认为是将 N 沟道

37、MOSFET 作为输入极， PNP 晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 N-层作电导率调制，提高电流密度。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N- 层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNP NPN 晶体管的连接形成晶闸管。 二、二、IGBTIGBT 的工作原理的工作原理IGBT 是强电流、高电压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，而IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主

38、要缺点。虽然最新一代功率 MOSFET器件大幅度改进了 RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度。GBT 硅片的结构与功率 MOSFET 的结构十分相似，主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT 技术没有增加这个部分） 。其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。基片的应用在管体的 P+和 N+ 区之间创建了一个 J1 结。当正栅偏压使栅极下面反演 P 基区时，一个 N 沟道形成，同时出现一个电子

39、流，并完全按照功率 MOSFET 的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V 范围内，那么，J1 将处于正向偏压，一些空穴注入 N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 一个是空穴电流（双极） 。（一）关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入 N-区内。在任何情况下，如果 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在 N 层内还存在少数的载流子（少子）16。这种残余电流值（尾流

40、）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和 VCE 密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与 VCE、 IC 和 TC 之间的关系。（二）反向阻断当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向 N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将

41、无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。第二点清楚地说明了 NPT 器件的压降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的压降高的原因。（三）正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3 结受反向电压控制。此时，仍然是由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。（四）正向导通特性在通态中，IGBT 可以按照“第一近似”和功率 MOSFET 驱动的 PNP 晶体管建模。理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件（寄生元件不考虑在内） 。IC 是 VCE 的一个函数（静态特性） ，假如阴极和阳极之间的压降不超

42、过 0.7V，即使栅信号让 MOSFET 沟道形成，集电极电流 IC 也无法流通。当沟道上的电压大于 VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于 IGBT 结构中含有一个双极 MOSFET 和一个功率 MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率 MOSFET 的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。描述了 VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的 VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个 NPT 进行简易并联的效果

43、是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT 器件相比，使用 NPT 会造成压降增加。17（五）动态特性动态特性是指 IGBT 在开关期间的特性。鉴于 IGBT 的等效电路，要控制这个器件，必须驱动 MOSFET 元件。这就是说，IGBT 的驱动系统实际上应与MOSFET 的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在 MOSFET 部分形成一个 N 沟道。如果这一电子流产生的电压处于 0.7V 范围内， P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入 N 区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻 Rg 的值

44、来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容 Cge 和 Cgc 可实现不同的电荷速率。换句话说，通过改变 Rg 值，可以改变与 Rg (Cge+Cgc) 值相等的寄生净值的时间常量，然后，改变 dV/dti。数据表中常用的驱动电压是 15V。di/dt 是 Rg 的一个函数，栅电阻对 IGBT 的导通速率的影响是很明显的。因为 Rg 数值变化也会影响 dv/dt 斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大 。在关断时，再次出现了我们曾在具有功率 MOSFET 和 BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从 P+基片注入的空穴数量的百分比

45、，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于 VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。（六）最大工作频率开关频率是用户选择适合的 IGBT 时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。特别是在电流流通并主要与 VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中， 是负载系数。开关损耗与 IGBT 的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗 Ets 相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。 Psw = Ets总损耗是两部分损耗之和：Pto

46、t = Pcond + Psw在这一点上，总功耗显然与 Ets 和 VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。这些变量之间适度的平衡关系，与 IGBT 技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。因此，为最大限度地降低功耗，18根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应根据实际情况选择不同的 IGBT。第四节第四节 液压系统液压系统一、机房盘型闸液压系统一、机房盘型闸液压系统车房盘型闸制动液压系统采用洛阳市重冶矿山机械有限公司生产的 PY-140型液压系统，主要技术参数如表三所示。表三 盘型闸液压系统参数名称参数名称参数制动油最大压力14Mpa制动

47、油牌号22#透平油或 N32、N46 抗磨液压油最大输油量13L/Min储能器溶剂10L油箱储油量900L储能器充氮压力10-12Ma工作温度65二、机尾钢丝绳液压张紧系统二、机尾钢丝绳液压张紧系统机尾钢丝绳液压张紧系统采用中国矿业大学机电学院的 ZLY 型带式输送机液压自动拉紧装置，主要技术参数如表四所示。表四 机尾钢丝绳液压系统参数名称参数名称参数最大拉紧力200KN（18Ma）泵站电机功率4KW拉紧力调节范围90-200KN额定电压380/660V绞车电机功率7.5KW系统设备配置图见附图一。第四章第四章 可编程控制器部分可编程控制器部分可编程控制器（Programmable Logic

48、 Controller）通常简称为可编程控制器，英文缩写为 PLC 或 PC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术可通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。专为工业环境而设计，它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的搞可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更是得到用户的好评。它将19传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。六十年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，其加工的生产线亦必须随之改变，对整个控制系统要重新配置，因此，1968 年美国通用汽车公司（

49、GM）公开招标，对控制系统提出具体要求：1、编程简单，可在现场修改程序；2、维修方便，采用模块化结构，即插件式；3、可靠性高于继电器控制系统，能在恶劣环境下工作；4、体积小于继电器控制柜；5、价格便宜，成本应可与继电器控制系统竞争；6、具有数据通讯功能，数据可直接送入管理计算机；7、易于系统扩展，在扩展系统时只要很小变更；8、用户程序存储器容量至少能扩展到 4K 以上；9、输入、输出可以采用市电，电流达到一定 要求（2A 以上） ，可直接驱动继电器和电磁阀。这些要求实际上提出了将继电器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的特点结合起来，将继电接触器控制

50、硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969 年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器 PLC（Progrmmable Logic Controller） ，只是用它取代继电接触器控制，功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器问世后，发展极为迅速。1971 年日本开始生产可编程序控制器；1973 年欧洲开始生产可编程序控制器，到现在世界各国一些著名的电气制造商几乎都在生产 PLC 装置，如美国罗克韦尔自动化公司的 A-B、欧洲的西门子、日本的三菱、日本的 OMR

51、OM、美国的 GE 等，PLC 已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。国际电工委员会（IEC）1985 年 1 月对可编程序控制器作过如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设20计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。 ”可编程序控制器的发状况及发展趋势：1、产品规模向大、小两个方向发展；2、体系结构开放化及通信功能标准化；3

52、、I/O 模块智能化及专用化；4、编程组态软件图形化；5、发展集成技术及容错技术。第一节第一节 可编程控制器的特点可编程控制器的特点1、抗干扰能力强，可靠性高在 I/O 环节，PLC 采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用 EEPROM，一般 PLC 的平均无故障工作时间可达几万小时以上。2、控制系统结构简单，通用性强PLC 所采用的 CPU 一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双 CPU 的运行方式，使其功能得到极大的加强。3、编程方便，易于使用第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器

53、控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员的学习。4、适用于恶劣的工业环境采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀及有毒气体等的应用场合。5、与外部设备连接方便采用统一接线方式的可拆装的活动的端子排，提供不同的端子能适合于多种电气规格。6、体积小、重量轻、功耗低217、性价比高与其他控制方式相比，性能价格比较高。8、模块化结构，扩展能力强根据现场需要可进行不同功能的扩展和组装，一般型号的 PLC 可用于控制从几个 I/O 点到几百个 I/O 点的控制系统。9、维修方便，功能更改灵活程序的修改就意味着控制功能的修改，因此功能的更改非常灵活。第二节第二节 可编程控制器的组成可编程控制器的组成PL

54、C 的硬件主要由中央处理器（CPU） 、存储器、输入/输出单元、电源模块、扩展接口、通信接口、编程器等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。其结构框图如图二所示。图二 PLC 结构简化框图（一）中央处理单元（简称 CPU）中央处理单元是 PLC 的控制中枢，核心部件，其性能决定了 PLC 的性能。组成：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。常用芯片：通用微处理器，单片机，位片式微处理器。作

55、用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：编程器中央处理单元（CPU）输入单元系统程序存储器用户程序存储器输出单元，电路电源221、接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。2、检查电源、存储器及 PLC 内部电路的工作状态，并诊断用户程序中的语法错误。3、PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算

56、等任务。4、根据运算结果，更换有关影象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。（二）存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。分类：PLC 中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器三种。1、系统程序存储器中存放的是厂家编写的系统程序，固化在 ROM 内，它决定了 PLC 的功能，用户不能更改其内容。2、用户程序存储器用来存放用户根据控制要求用 PLC 编程语言编写的各种用户应用程序，用户可以根据需要对其内容进行修改。3、工作数据存储器用来存储工作数据。工作数据是经常变化、经常存取的，它包括输出映像寄存器和程序执行过程中的参数

57、等。PLC 的种类很多，无论用户使用哪一种类型，要想编制正确的程序，必须对存储器的划分非常清楚。作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。系统程序：控制 PLC 完成各种功能的程序，由 PLC 生产厂家编写，并固化到只读式存储器 ROM 中，用户不能访问。用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。通过编程器输入到 PLC 的随机存储器 RAM 中，允许修改，由用户启动运行。结构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。23读写控制电路的作用：将选

58、中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存器的内容写到选中的存储单元中。数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。（1）存储器的工作过程、数据的写入过程、数据的读出过程（2）PLC 中使用的存储器、只读存储器 ROM、随机存储器 RAMROM 为只读存储器，存放 PLC 制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM 中，PLC 去电后再上电，ROM 内容不变。RAM 为可读写的存储器，读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。除此而外，PLC 还有 EPROM、EEPROM 存储器。PL

59、C 产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是 PLC 的一个重要性能指标。（三）输入/输出单元输入/输出单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场设备之间相连接的桥梁。输入接口模块接收来自现场检测部件传来的各种状态控制信号，由接口电路将这些信号转换为 CPU 能识别和处理的信号，并存入输入映像寄存器。输入接口采用光电耦合电路将 PLC 与现场设备隔离起来，以提高 PLC 的抗干扰能力。接口电路内部有滤波、电平转移及信号所存电路等。各 PLC 生产厂家都提供了多种形式的 I/O 部件或模块供用户选用。输出接口模块是 PLC 与现场设备

60、之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象的输出接口。其作用是将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的功率信号，驱动被控设备的执行元件。输出接口电路也使用了光电耦合技术，每一点输出都有一个内部电路，由24指示电路、隔离电路和继电器组成。输出接口电路具有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，有多种类型的输出部件或模块供用户选用。PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据；同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部CPU 的处理的信息只